Kỹ thuật OFDM và ứng dụng

Kỹ thuật OFDM và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- KỸ THUẬT OFDM VÀ ỨNG DỤNG Giáo viên hướng dẫn: Th.S Chu Tiến Dũng Nha Trang, 09/2015 1 LỜI NÓI ĐẦU Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con người về trao đổi thông tin ngày càng lớn. Để đáp ứng những nhu cầu đó, đòi hỏi mạng lưới viễn thông phải có tốc độ cao, dung lượng lớn, đặc biệt là đối với các hệ thống thông tin truyền thanh, truyền hình do tính linh hoạt, mềm dẻo và tiện lợi của nó. Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và tương lai ngày càng đòi hỏi có dung lượng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn, sử dụng băng thông hiệu quả hơn, khả năng kháng nhiễu tốt hơn. Trong những năm gần đây, kỹ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước tiến triển vượt bậc. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hình truyền số liệu ngày càng phát triển và nhiều tiện ích nhu cầu về truyền thông đa phương tiện ngày một cao. Việc nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trên toàn cầu để đưa ra các giải pháp kế tiếp đáp ứng yêu cầu của hệ thống truyền thông đa phương tiện. Công nghệ truyền hình không đơn thuần là đường truyền một chiều như trước. Đến nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ truyền hình tương tác của người dùng ngày một cao, đồng thời các nhà cung cấp cũng từ bước xây dựng hệ thống truyền hình trả tiền từ đó yêu cầu nâng cao chất lượng cũng như đa dạng hóa dịch vụ ngày càng trở lên cấp thiết. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các hệ thống với nhiều dịch vụ tích hợp, băng thông lớn, tiết kiệm phổ tần và có hiệu năng. Các công nghệ truyền dẫn vô tuyến lần lược ra đời như FDMA, TDMA nhằm đáp ứng được nhu cầu về tốc độ và chất lượng truyền. Mặc dù các yêu cầu cho các dịch vụ này rất cao song vẫn yêu cầu các giải pháp thích hợp để thực hiện cho từng thế hệ. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới thiệu năm 1966. Tuy nhiên cho đến thời gian gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng trong thực tế nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và kỹ thuật vi xử lý. OFDM (là viết tắt của là viết tắt của Orthogonal frequency-division multiplexing) là kỹ thuật trải phổ và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM sử dụng kỹ thuật tạo ra các sóng mang con trực giao để truyền dữ liệu, giúp cho việc sử dụng băng tần kênh tối ưu. Kỹ thuật OFDM được đưa vào các ứng dụng trong thực tế đã và đang đóng góp rất lớn vào sự phát triển bùng nổ của Công nghệ thông tin và Viễn thông tại Việt Nam... trong lĩnh vực quảng bá, truyền hình tương tự đang dần được thay thế bằng các hệ thống truyền hình số. Kỹ thuật này đang được nghiên cứu, triển khai và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như: Wimax, Wlan, ADSL, DVB-T…vv. Kỹ thuật này cũng là ứng cử viên quan trọng nhất cho thế hệ di động thứ 4 (4G). Ở Việt Nam Kỹ thuật OFDM đã được ứng dụng thành công trong lĩnh vực ADSL và cũng đang được triển khai thử nghiệm trong nhiều lĩnh vực khác như: DVB-T, Wimax… vv Theo lộ trình số hóa của Việt Nam, đến năm 2020 chúng ta sẽ hoàn thành chuyển đổi sang truyền hình số. Rõ ràng những ưu việt của truyền hình số so với truyền hình tương tự đã được chúng ta nhận thấy qua quá trình sử dụng. Tương tự vậy, các hệ thống truyền thanh quảng bá cũng có xu hướng chuyển sang truyền thanh số nhằm thêm các dịch vụ gia tăng cũng như cải tiến chất lượng. Về mặt lợi ích quảng bá số mang lại lợi ích to lớn về mặt phổ tần và kinh tế. Với những 2 lý do nêu trên chúng tôi sẽ trình bày về kỹ thuật OFDM và các ứng dụng của nó đã và đang được triển khai trên thế giới và cả ở Việt Nam. I. GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ OFDM 1.1. Lịch sử phát triển: OFDM là một phương pháp truyền khá phức tạp trên kênh vật lý, nguyên lý cơ bảncủa phương pháp là sử dụng kỹ thuật đa sóng mang để truyền một lượng lớn ký tự tại cùng một thời điểm. Sử dụng kỹ thuật OFDM có rất nhiều ưu điểm, đó là hiệu quả sử dụng phổ rất cao, khả năng chống giao thoa đa đường tốt (đặc biệt trong hệ thống không dây) và rất dễ lọc bỏ nhiễu (nếu một kênh tần số bị nhiễu, các tần số lân cận sẽ bị bỏ qua, không sử dụng). Ngoài ra, tốc độ truyền Uplink và Downlink có thể thay đổi dễ dàng bằng việc thay đổi số lượng sóng mang sử dụng. Một ưu điểm quan trọng của hệ thống sử dụng đa sóng mang là các sóng mang riêng có thể hoạt động ở tốc độ bit nhỏ dẫn đến chu kỳ của ký tự tương ứng sẽ được kéo dài. Ví dụ, nếu muốn truyền với tốc độ là hàng triệu bit trên giây bằng một kênh đơn, chu kỳ của một bit phải nhỏ hơn 1 micro giây. Điều này sẽ gây ra khó khăn cho việc đồng bộ và loại bỏ giao thoa đa đường. Nếu cùng lượng thông tin trên được trải ra cho N sóng mang, chu kỳ của mỗi bit sẽ được tăng lên N lần, lúc đó việc xử lý vấn đề định thời, đa đường sẽ đơn giản hơn. Kỹ thuật OFDM do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ. Trong những thập kỹ vừa qua nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đó được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới. Đặc biệt là công trình khoa học của Weistein và Ebert đó chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua các phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Vào đầu những năm 80, đội ngũ kỹ sư phòng thí nghiệm CCETT (Centre Commun d'Etudes en Télédiffusion et Télécommunication) dựa vào các lý thuyết Wienstein và Ebert đó đề xuất phương pháp điều chế số rất hiệu quả trong lĩnh vực phát thanh truyền hình số, đó là OFDM (Orthogonal Frequency Divionsion Multiplex). Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM được sử dụng ngày càng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT và DFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vụ tuyến. Các hệ thống này còn được gọi với khái niệm là COFDM (Coded OFDM). Trong các hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau với mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm) của mỗi sóng mang phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Hệ thống này mở ra khái niệm về hệ thống truyền dẫn sử dụng kỹ thuật OFDM với bộ điều chế tín hiệu thích ứng (adaptive modulation technique). Kỹ thuật này hiện đó được sử dụng 3 trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở Châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a. 1.2. Sự ứng dụng của kỹ thuật OFDM ở Việt Nam: Có thể nói mạng internet băng rộng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) rất quen thuộc ở Việt Nam, nhưng ít người biết rằng sự nâng cao tốc độ đường truyềntrong hệ thống ADSL chính là nhờ công nghệ OFDM. Nhờ kỹ thuật điều chế đa sóng mang và sự cho phép chồng phổ giữa các sóng mang mà tốc độ truyền dẫn trong hệ thống ADSL tăng lên một cách đáng kể so với các mạng cung cấp dịch vụ internet thông thường. Bên cạnh mạng cung cấp dịch vụ ADSL hiện đang được sử dụng rất rộng rói ở ViệtNam hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng truyền hình số mặt đất DVBT cũng đang được khai thác sử dụng. Các hệ thống phát thanh số như DAB và DRM chắc chắn sẽ được khai thác sử dụng trong một tương lai không xa. Các mạng về thông tin máy tính không dây như HiperLAN/2, IEEE 802.11a, g cũng sẽ được khai thác một cách rộng rãi ở Việt Nam. 1.3. Các hướng phát triển trong tương lai: Kỹ thuật OFDM hiện được đề cử làm phương pháp điều chế sử dụng trong mạng thông tin thành thị băng rộng Wimax theo tiêu chuẩn IEEE 802.16a và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư. Trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư, kỹ thuật OFDM còn có thể kết hợp với các kỹ thuật khác như kỹ thuật đa anten phát và thu (MIMO technique) nhằm nâng cao dung lượng kênh vô tuyến và kết hợp với công nghệ CDMA nhằm phục vụ dịch vụ đa truy cập của mạng. Một vài hướng nghiên cứu với mục đích thay đổi phép biến đổi FFT trong bộ điều chế OFDM bằng phép biến đổi Wavelet nhằm cải thiện sự nhạy cảm của hệ thống đối với hiệu ứng dịch tần do mất đồng bộ gây ra và giảm độ dài tối thiểu của chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM. Tuy nhiên khả năng ứng dụng của công nghệ này cần phải được kiểm chứng cụ thể hơn nữa trong tương lai. 1.4. Các cột mốc và ứng dụng quan trọng của OFDM: 1957: Kineplex, multi-carrier HF modem 1966: Chang, Bell Labs: thuyết trình và đưa ra mô hình OFDM 1971: Weinstein & Ebert đề nghị sử dụng FFT và khoảng bảo vệ 1985: Cimini mô tả ứng dụng của OFDM trong thông tin di động 1987: Alard & Lasalle: áp dụng OFDM cho digital broadcasting 1995: Chuẩn ETSI DAB: chuẩn OFDM cơ bản đầu tiên 1997: Chuẩn ETSI DVB-T 1998: Dự án Magic WAND trình diễn OFDM modems cho mạng WLAN 1999: Chuẩn IEEE 802.11a và ETSI BRAN HiperLAN/2 cho Wireless LAN 2000: Được dùng trong truy cập vô tuyến cố định (V-OFDM, Flash-OFDM) 2001: OFDM được đề cử cho những chuẩn mới 802.11 và 802.16 2002: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.11g chuẩn cho WLAN 4 2003: OFDM được đề cử cho UWB (802.15.3a) 2004: Được dùng trong chuẩn IEEE 802.16-2004 chuẩn cho mạng WMAN (WiMAX) Được dùng trong chuẩn Chuẩn ETSI DVB-H Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.15.3a, mạng WPAN (MB-OFDM) Được đề cử cho chuẩn IEEE 802.11n, thế hệ kế tiếp của mạng WLAN 2005: Được đề cử cho chuẩn di động tế bào 3.75G (3GPP & 3GPP2) Được đề cử cho chuẩn 4G (CJK) 1.5. So sánh một số kĩ thuật OFDM 1.5.1. Sự khác nhau giữa OFDM và OFDMA ở hình dưới đây Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA chia băng tần thành các băng con, mỗi băng con là một sóng mang con. Khác với OFDM, trong OFDMA mỗi trạm thuê bao không sử dụng toàn bộ không gian sóng mang con mà không gian sóng mang con được chia cho nhiều thuê bao cùng sử dụng một lúc. Mỗi trạm thuê bao sẽ được cấp một hoặc vài sóng mang con gọi là kênh con hoá. Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian súng mang con thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng. Trong quá trình truyền dẫn mỗi trạm thuê bao được cấp phát một kênh con riêng. OFDMA là kỹ thuật đa truy cập vào kênh truyền OFDM, một dạng cải tiến của OFDM. 1.5.2 Sự khác nhau giữa OFDMA và SOFDMA: Thật ra thì SOFDMA cũng là OFDMA chỉ khác nhau đó là trong SOFDMA thì kích thướt FFT có thể thay đổi tuỳ theo độ rộng băng tần nhưng khoảng cách giữa các sóng mang con là không đổi 10.94KHz. Còn trong OFDMA có kích thước FFT cố định là 2048. Như vậy trong SOFDMA, độ rộng phổ của các băng con là như nhau trong các hệ thống khác nhau, giúp quá trình chuyển giao thuận lợi hơn. Ngoài 5 ra việc tương thích giữa các hệ thống sẽ làm giảm chi phí thiết kế, xây dựng mạng. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ: 2.1. Điều chế (Modulation) là gì ? - Điều chế là quá trình ghi tin tức vào dao động cao tần nhờ biến đổi một thông số nào đó như biên độ, tần số hay góc pha của dao động cao tần theo tin tức. Do tin tức có tần số thấp nên không thể tự bức xạ để truyền đi xa được nên thông qua điều chế, tin tức ở miền tần số thấp được chuyển lên vùng tần số cao để bức xạ, truyền đi xa. Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế. Dao động cao tần được gọi là tải tin hay tải tần. Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế. Đối với tải tin điều hoà, ta phân biệt ra hai loại điều chế là điều biên và điều chế góc, trong đó điều chế góc bao gồm cả điều tần và điều pha. Ví dụ: tín hiệu tiếng nói có tần số thấp, không thể truyền đi xa được. Người ta dùng một tín hiệu hình sin có tần số cao (để có thể truyền đi xa được) làm sóng mang. Biến đổi biên độ của tần số sin đó theo tín hiệu tiếng nói. Ở đầu thu người ta dựa vào sự thay đổi biên độ của tín hiệu thu được để tái tạo lại tín hiệu tiếng nói ban đầu. 2.2. Vị trí của điều chế trong hệ thống thông tin: Transmitter Nguồn tin Biến đổi tin tức - tín hiệu Máy phát: Điều chế Khuếch đại Receiver Nhận tin Máy phát: Khuếch đại Giải điều chế Biến đổi tin tức - tín hiệu 2.3. Mục đích của điều chế: 6 Để có thể bức xạ vào không gian dưới dạng sóng điện từ. Cho phép sử dụng tín hiệu qua kênh truyền. Tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống. 2.4. Các phương pháp điều chế: Có 3 phương pháp điều chế: Điều chế tương tự, Điều chế sung, Điều chế số. Các phương pháp điều chế Điều chế tương tự Biên độ AMAM SC SSB SSB VSB -SC Góc pha FM Điều chế số Điều chế xung Tương tự Số ASK PSK FSK PM PAM PPM PDM PCM DelTA 2.4.1. Phương pháp Điều chế tương tự: Trong điều chế tương tự, việc điều chế được thực hiện liên tục theo tín hiệu thông tin tương tự. Các phương pháp điều chế tương tự thông dụng là: Điều biên (Amplitude modulation) Điều chế hai băng (DSB-Double-sideband modulation) Điều chế hai băng không triệt sóng mang (DSB-WC) (dùng trong radio băng AM) Điều chế hai băng triệt sóng mang (DSB-SC) Điều chế hai băng nén sóng mang (DSB-RC) Điều chế đơn băng Điều chế đơn băng (SSB hoặc SSB-AM), rất giống với Điều chế đơn băng triệt sóng mang (SSB-SC) Điều chế Vestigial sideband (VSB hoặc VSB-AM) Quadrature amplitude modulation (QAM) Angle modulation Điều tần - Frequency modulation (FM) Điều pha-Phase modulation (PM) a. Điều chế AM: - Ưu điểm: Tính kinh tế, máy thu phát thiết kế đơn giản, không tốn kém. 7 Không cần công suất phát lớn, nếu sóng mang có bước sóng dài có thể truyền đi rất xa, vượt chướng ngại vật tốt. - Nhược điểm: Tính chọn lọc không cao. Dễ bị biến dạng tín hiệu nên không trung thực. b. Điều chế FM: - Ưu điểm: Tín hiệu không bị nhiễu và không bị biến dạng. Tính chọn lọc cao. Tần số cao nên lượng thông tin chuyển tải nhiều hơn - Nhược điểm: Vì bước sóng ngắn nên điều chế FM không truyền đi xa được. Dễ bị chặn bởi chướng ngại vật. Thiết kế tốn kém, tính kinh tế không cao (ví dụ như: cột anten cao). 2.4.2. Phương pháp Điều chế xung: Phương pháp để chuyển đổi thông tin thành những xung để truyền dẫn - PWM (Pulse Width Modulation): Độ rộng xung tỷ lệ với biên độ tín hiệu tương tự. - PPM (Pulse Position Modulation): Vị trí xung thay đổi theo biên độ tín hiệu tương tự trong một khe thời gian. - PAM (Pulse Amplitude Modulation): Biên độ xung thay đổi theo biên độ của tín hiệu tương tự. - PCM (Pulse Code Modulation): chuyển đổi chuỗi xung điều chế biên độ thành dạng tín hiệu nhị phân. PCM là phương pháp phổ biến trong hệ thống viễn thông, chủ yếu là trong mạng PSTN a. Ưu điểm: - Có thể sử dụng các mạch số không đắt lắm trong hệ thống - Khi truyền tin qua khoảng cách xa, tín hiệu có thể khôi phục hoàn toàn tại mỗi trạm lặp trung gian. - Ảnh hưởng của nhiễu không bị tích lũy mà chỉ cần quan tâm đến nhiễu truyền dẫn giữa hai trạm lặp cạnh nhau. - Tín hiệu dễ lưu trữ. b. Nhược điểm: - Đòi hỏi băng thông truyền dẫn rộng. 2.4.3. Phương pháp Điều chế số: Trong điều chế số, một sóng mang tương tự sẽ được biến đổi theo một chuỗi bit có chiều dài cố định hoặc thay đổi. Đây cũng có thể được coi là một dạng biến đổi tương tự-số. Hình dạng của sóng mang được lấy từ một tập hợp hữu hạn các symbol. Sau đây là những phương pháp cơ bản: Trong CW, người ta dùng on-off keying của tín hiệu có chiều dài thay đổi. 8 Trong PSK, người ta dùng một số hữu hạn pha. Trong FSK, người ta dùng một số hữu hạn tần số. Trong ASK, người ta dùng một số hữu hạn biên độ. Trong QAM, tín hiệu đồng pha (tín hiệu I, ví dụ tín hiệu cos) và tín hiệu trực pha (tín hiệu Q, ví dụ tín hiệu sin) được điều biên. Nó cũng có thể được coi là hai kênh riêng. Tín hiệu thu được là sự kết hợp của PSK và ASK với tối thiểu là hai pha và tối thiểu hai biên độ. - Điều chế số ASK: + Sử dụng điều chế có tín hiệu có biên độ trực giao nên dễ thiết kế và đơn giản + Điều chế theo biên độ nên rất nhạy với nhiễu tạp âm + Tốc độ truyền của ASK BỊ giới hạn do tính chất vật lý của môi trường + Nếu bít "0" được quy ước ở mức 0 Vôn suy giảm được năng lượng truyền - Điều chế số FSK: + Với FSK không kết hợp, sử dụng tín hiệu có tần số trực giao nên đơn giản, dễ thiết kế. + Phía thu tìm ra sự thay đổi tần số để nhận biết giá trị của bit tin mà không cần chú ý đến giá trị mức điện thế của tín hiệu nên tránh được lỗi tạp âm mà ASK mắc phải. + Khả năng đáp ứng tần số của môi trường là một mặt hạn chế lớn của FSK + Khoảng cách giữa 2 tần số f1, f2 phải lớn và lớn theo giá trị của chúng độ rộng băng . - Điều chế số PSK: + Công suất phát yêu cầu thấp hơn so với ASK và PSK với cùng một xác suất lỗi + Ít bị ảnh hưởng của nhiễu + Nếu không kết hợp với FSK thì không bị giới hạn độ rộng băng (giống với ASK) + Càng điều chế ở nhiều mức thì dữ liệu chuyển tải càng được nhiều hơn, nghĩa là tốc độ truyền tăng lên (tuy nhiên, số mức vẫn bị giới hạn) + Thiết bị thu phải khôi phục sóng mang, phải tách sóng kết hợp phức tạp hơn, khó thực hiện hơn, max hơn (Tuy nhiên, để kinh tế ta có thể sử dụng cách mã hóa vi sai trước khi điều chế cách này gọi là DPSK, nhưng xác suất lỗi trở lại) d. Ưu điểm: - Chỉ dùng một sóng mang duy nhất - Phù hợp trong truyền số liệu với tốc độ thấp (khoảng 1200bps trên kênh truyền) e. Nhược điểm: - Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu - Khó đồng bộ (đối với điều chế ASK) - Tần số tín hiệu cao gây nhiễu ngoài và hạn chế khả năng tốc độ truyền Từ các ưu nhược điểm trên nên điều chế theo phương thức nào là tốt hơn cả. Và trong thực tế thì người ta thường sử dụng 3 cách điều chế: FSK không kết hợp, PSK và DPSK (không phải chỉ riêng FSK) III. ĐIỀU CHẾ OFDM 9 3.1. Khái niệm OFDM: OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp lại trên một chu kỳ ký tự. Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. 3.2. Giới thiệu kỹ thuật OFDM: Kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật được sử dụng rất nhiều (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tức là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý và trồng đồng thời trên cùng một kênh truyền. OFDM được ứng dụng rất nhiều như: Phát quảng bá số (phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVD)); Thông tin Hữu tuyến (ADSL, HDSL); Thông tin vô tuyến (WLAN:802.11a/g/n (Wifi), WMAN: 802.16 (Wimax), di động 4G). 3.3. Hệ thống và đặc điểm cơ bản của kỹ thuật OFDM: Với cách truyền OFDM, những tín hiệu thông tin từ nhiều trạm được kết hợp trong một dòng dữ liệu ghép kênh đơn. Sau đó dữ liệu này được truyền khi sử dụng khối OFDM được tạo ra từ gói dày đặc nhiều sóng mang. Tất các các sóng mang thứ cấp trong tín hiệu OFDM được đồng bộ thời gian và tần số với nhau, cho phép kiểm soát can nhiễu giữa những sóng mang. Các sóng mang này chồng lấp nhau trong miền tần số, nhưng không gây can nhiễu giữa các sóng mang (ICI) do bản chất trực giao của điều chế. 3.4. Nguyên lý của phương pháp điều chế OFDM: Tốc độ R Bộ phân chuyể n đổi nối tiếp / song song Dữ liệu Bộ điều chế Dữ liệu 1 Chèn chuỗi bảo vệ Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời, được mô tả như hình 1 ở phía quá trình thu tin thì ngược lại. Dữ liệu 2 Dữ liệu N ∑ 10 Tốc độ R/N Hình 1. Sơ đồ quá trình phát tin Dữ liệu tổng Tin Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta có thể thấy được điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên hình 2. Hình 2. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở phía thu. Hình 3. a.Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b.Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (Hình 3a). Nhưng đối với hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị ảnh hưởng (Hình 3b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phương pháp mã hoá sửa sai. 11 3.5. Tính trực giao: Các tín hiệu là trực giao nhau nếu chúng độc lập với nhau. Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này. Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu. Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao. Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ trong tập đó thỏa điều kiện. i= j K * (3.1) ∫T Si (t).S j (t)dt = 0 i≠ j S với S*(t) là ký hiệu của liên hợp phức S(t). T s là chu kỳ ký hiệu. K là hằng số.Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: k  0  t  TS sin(2π t ) TS f k (t) =  (3.2) 0 t ∉ (0, TS )  với k = 0, 1, …, N-1 Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng FS = 1 và trực giao TS từng đôi một do thỏa điều kiện (3.1).  k   k  1 2 Ta xét hai sóng mang Sin  2π t  và Sin  2π t   TS   TS  TS TS   k1  k2  1  t t      ( ) ( ) Sin 2 π t .Sin 2 π t dt = cos2 π k − k − cos2 π k + k 1 2 1 2  dt = 0 ∫0  TS   TS  2 ∫0  TS TS  (3.3) Hình 4. Phổ của các sóng mang trực giao Như vậy, các sóng mang thuộc tập (3.2) là trực giao từng đôi một hay còn gọi là độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của F S. Vì vậy, vị trí đỉnh của 12 sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (Hình 3). Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau. 3.6. Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM: Như đã biết, OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin. Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,....Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống. Nhằm giải quyết vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT có vai trò giống như hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế. Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1). Công thức của phép biến đổi DFT là [10] N −1 X ( k ) = ∑ x ( n)e − j 2 πNkn , k = 0, 1,…, N-1 (3.4) n =0 - Công thức của phép biến đổi IDFT là x (n) = 1 N N −1 ∑ X ( k )e j 2 πNkn , k = 0, 1,…, N-1 (3.5) k =0 - Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn.Từ công thức (3.4), (3.5) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm: + Thời gian thực hiện phép nhân phức. + Thời gian thức hiện phép cộng phức. + Thời gian đọc các hệ số e − j 2Nπ . + Thời gian truyền số liệu. Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức. Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân. Do đó để giảm thời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán FFT. Để tính trực tiếp cần N 2 phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ còn bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là N log 2 N . Vì vậy tốc độ tính 2 2N . log 2 N Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. 3.7. Nhiễu giao thoa ký tự và nhiễu giao thoa sóng mang: 3.7.1 Khái niệm: Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu 13 liên ký tự (ISI). Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó. Hình 5. Phổ của bốn sóng mang trực giao Biên độ Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng zero. Máy thu lấy mẫu các ký tự data trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu xuyên kênh (ICI). Tính chất trực giao của sóng mang có thể được nhìn thấy trên giản đồ trong miền thời gian hoặc trong miền tần số. Từ giản đồ miền thời gian, mỗi sóng mang có dạng sin với số nguyên lần lặp với khoảng FFT. Từ giản đồ miền tần số, điều này tương ứng với mỗi sóng mang có giá trị cực đại tần số trung tâm của chính nó và bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Hình 5 biểu diễn phổ của bốn sóng mang trong miền tần số cho trường hợp trực giao. Tính trực giao của một sóng mang với sóng mang khác bị mất nếu giá trị của sóng mang không bằng không tại tần số trung tâm của sóng mang khác. Từ giản đồ miền thời gian, tương ứng hình sin không dài hơn số nguyên lần lặp khoảng FFT. Hình 6 biểu diễn phổ của bốn sóng mang không trực giao. 14 tần số Hình 6. Phổ của bốn sóng mang không trực giao ICI xảy ra khi kênh đa đường khác nhau trên thời gian ký tự OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra bù tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM trải qua ISI. Sự bù tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra ICI đến một ký tự OFDM. 3.7.2. Phương pháp chống nhiễu liên ký hiệu: Hình 7. Ảnh hưởng của ISI Hình 7 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phần trễ này gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây chính là nhiễu liên ký hiệu ISI. Hình 8. Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trước đó (ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τ max). Một khoảng rỗng do đó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (Hình 8), nhưng như vậy tín hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế người ta chèn khoảng bảo vệ ∆G được copy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó như hình 9 Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ được nhiễu ISI. 15 Ở máy thu, khoảng bảo vệ này được loại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế Hình 9. Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 3.8. Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM: - OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM: + Ước lượng tham số kênh. + Đồng bộ sóng mang + Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR (Peak to Average Power Ratio) - Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, còn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngoài ra, để nâng cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM. 3.8.1. Ước lượng tham số kênh: Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh có thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM : - Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên 16 giản đồ thời gian-tần số, vì vậy kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống. -Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh: Phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên. 3.8.2. Đồng bộ trong OFDM: Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này. Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là : Đồng bộ ký tự (symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). a. Đồng bộ ký tự: Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn. Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha sóng mang (carrier phase noise). * Lỗi thời gian: Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM. Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang. Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh. Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Có hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đó là: Đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp. Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần. Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ. Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên. Thuật toán đồng bộ thời gian sử dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là : nhận biết công suất (power detection), đồng bộ thô (coarse synchronization)và đồng bộ tinh (fine synchronization). * Nhiễu pha sóng mang: Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu. b. Đồng bộ tần số sóng mang: 17 Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : Lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số. * Lỗi tần số Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền không tuyến tính. Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sóng mang bị mất tính trực giao). * Ước lượng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu). Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra. Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khóa pha (Phase Lock Loop-PLL). Nhận xét: Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sóng mang. Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sóng mang thì có thể giảm số lượng sóng mang, tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau. Nhưng khi giảm số sóng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sóng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khó khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đó chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên có quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải có sự dung hòa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. c. Đồng bộ tần số lấy mẫu Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu. Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này. Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator-VCO). Phương pháp thứ hai được gọi là : Lấy mẫu không đồng bộ. Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ. 3.8.3. Giảm PAPR (Peak to Average Power Ratio) - Tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình là một trong những hạn chế cơ bản của tín hiệu OFDM. Khi tỉ số này cao, việc sử dụng bộ khuyếch đại công suất sẽ không đạt hiệu suất cao vì phải dành dự trữ công suất để tránh nhiễu phi tuyến. Như vậy, giảm PAPR là yêu cầu quan trọng của hệ thống sử dụng OFDM. - PAPR của một ký tự OFDM là tỉ số giữa giá trị lớn nhất của bình phương một mẫu đơn lẻ trên miền thời gian với giá trị trung bình bình phương của mẫu này: PAPR = max m = 0,1,... N −1 Xm Xm 2 (3.6) 2 18 - PAPR biểu diễn dải biên độ của các mẫu tạo ra bên máy phát tín hiệu OFDM. Nói cách khác, PAPR biểu diễn khoảng cách đến gốc của ký tự trong không gian tín hiệu - Hệ thống điều chế pha M mức (M-PSK) : Do các ký tự trong không gian tín hiệu chỉ khác nhau về pha trong khi độ lớn bằng nhau nên PAPR=1. Hệ thống dùng 16QAM PAPR=1.8 - Có hai phương pháp giảm PAPR chính : + Đưa thêm một số thông tin hỗ trợ (data, mã) vào ký tự OFDM. + Sử dụng các xử lý không gian tín hiệu (QAM, DPSK) sao cho tín hiệu miền thời gian sau bộ IDFT có PAPR thấp. 3.9. Hệ thống OFDM: Nhiễu Hình 10. Sơ đồ một hệ thống OFDM Sơ đồ hệ thống OFDM được cho như hình 3.10. Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu được một chuỗi số phức D 0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk. Chuỗi số phức này đi vào bộ IFFT: k j 2π n N −1 j 2πf t 1 N −1 N = 1 ∑ D[ k ].e k n d [ n] = ∑ D[ k ].e N k =0 N k =0 19 (3.7) (do f k n = k n = f k nTs = f k t n với Ts là chu kỳ ký hiệu, fk là tần số các sóng N fs mang) Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian. y (n) = Re{d[n]} = 1 N 1 = N N −1 ∑ Re{( A k + jBk ).(cos2πf k t n + jsin2πf k t n )} k =0 N −1 ∑ ( A cos 2πf t k k n − Bk sin2πf k t n ) (3.8) k =0 Các mẫu y(n) này được chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A để trở thành tín hiệu liên tục y(t), được khuếch đại, đưa lên tần số cao rồi phát lên kênh truyền. y (t ) = 1 N N −1 ∑ ( A cos2πf t + B sin2πf t ) k k k k (3.9) k =0 Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN. Ở máy thu, ta làm quá trình ngược lại: Tín hiệu OFDM được đổi tần xuống, biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi được đưa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế, biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu. N −1 D[ k ] = ∑ d [ n].e − j 2π k n N (3.10) n =0 3.10. Ưu điểm và khuyết điểm của OFDM: 3.10.1 Ưu điểm: + Tăng hiệu quả sử dụng băng thông. + Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng. + Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. + Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT. + Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao. 3.10.2. Khuyết điểm: + Nhạy với offset tần số - Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler. - Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được. + Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI. 20 + Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn. IV. ỨNG DỤNG CỦA OFDM: 4.1. Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới: Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến. Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới. - Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terestrial transmission) (1995) - Hệ thống phát thanh số đường dài DRM ( Digital Radio Mondiale) - Truy cập internet băng thông rộng ADSL ( Asymmetric Digital ubscriber line) - Các chuẩn IEEE 802.11a (1999) IEEE 802.11g. - Mạng máy tính không dây với tốc độ truyền dẫn cao HiperLAN/2 (High Pefomance Local Area NetWork type 2)(2000) - Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax) CÁC ỨNG DỤNG CỦA OFDM (OFDM Appliscations) • Wireless-LANs (IEEE 802.11, HIPERLAN/2) • Digital Audio&TV Broadcasting (DAB , DVB) • Digital Subscriber Loop (ADSL, VDSL) • Point-to-Point (Fixed) Wireless Access • 4G Cellular Systems? Do thời gian và khả năng kiến thức còn hạn chế nên trong phần này nhóm làm tiểu luận chỉ nêu ứng dụng của OFDM trong một vài lĩnh vực đó là: OFDM trong truyền hình di động T-DMB; OFDM trong DVB-T. Không đưa ra các thông số cơ bản để làm cơ sở so sánh giữa các công nghệ, các giải pháp cung cấp dịch vụ, không phân tích các yếu tố về mặt kỹ thuật của từng công nghệ. 4.2. Ứng dụng OFDM trong truyền hình di động T-DMB: OFDM được ứng dụng rất nhiều như: 21 + Truyền hình di động sử dụng công nghệ video số quảng bá (DVB), phát thanh số (DAB), truyền hình số (DVD) + Truyền hình di động sử dụng công nghệ DMB + Dịch vụ Truyền hình di động Media FLO + Dịch vụ DAB-IP cho truyền hình di động + Truyền hình di động sử dụng dịch vụ ISDB-T + Truyền hình di động cung cấp qua công nghệ WMAN:802.16 (Wimax), di động 4G + Thông tin Hữu tuyến (ADSL, HDSL); + Thông tin vô tuyến (WLAN:802.11a/g/n (Wifi) 22 23 4.3. Ứng dụng OFDM trong DVB-T Sơ đồ khối tổng quan. Hệ phát số theo tiêu chuẩn DVB-T sử dụng kĩ thuật COFDM (Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing – ghép kênh phân chia theo tần số trực giao có mã sửa sai) như một phương thức điều chế dữ liệu . 24 KẾT LUẬN Trải qua một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu về kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao OFDM, chúng em đã có thêm nhiều hiểu biết mới phục vụ cho quá trình học tập môn công nghệ viễn thông cũng như nhiều môn học về chuyên ngành viễn thông và sẽ giúp ích rất nhiều sau khi ra trường. Các kết quả chính thu được sau tiểu luận là: + Hiểu thêm về phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM- một phương pháp ngày càng được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật viễn thông hiện đại. Đây là lần đầu làm tiểu luận, thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế, phải tiếp cận với một lĩnh vực tương đối mới mẻ đó là phương pháp điều chế OFDM và các ứng dụng nên tiểu luận của nhóm em không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp của thầy giáo để chúng em có thể hoàn thiện tiểu luận này và thực hiện tốt hơn cho lần báo cáo tới. Cuối cùng chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn của Thầy giáo Chu Tiến Dũng và ý kiến đóng góp của các bạn trong lớp. TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 [1] Bùi Ngọc Lợi, đồ án tốt nghiệp “Công nghệ OFDM và ứng dụng trong truyền hình số mặt đấtt DVB-T”, Trường đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh. [2] Website http://luanvan.co/luan-van/tong-quat-ve-cong-nghe-ofdmva-cac-ung-dung-trong-thong-tin-vo-tuyen-30759 [3]Website https://vi.wikipedia.org [4] Website http://tailieu.vn/doc/dieu-che-xung-638317.html [5]Website https://vi.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi 26 [...]... lớn Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0 Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn IV ỨNG DỤNG CỦA OFDM: 4.1 Các ứng dụng quan trọng của OFDM trên thế giới: Kỹ thuật OFDM là nền tảng của các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến Các ứng dụng cụ thể của OFDM trên thế giới - Hệ thống truyền hình số mặt đất DVB-T (digital video broadcasting for terestrial transmission)... chỉ nêu ứng dụng của OFDM trong một vài lĩnh vực đó là: OFDM trong truyền hình di động T-DMB; OFDM trong DVB-T Không đưa ra các thông số cơ bản để làm cơ sở so sánh giữa các công nghệ, các giải pháp cung cấp dịch vụ, không phân tích các yếu tố về mặt kỹ thuật của từng công nghệ 4.2 Ứng dụng OFDM trong truyền hình di động T-DMB: OFDM được ứng dụng rất nhiều như: 21 + Truyền hình di động sử dụng công... dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên độ trên một số sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM. .. thông và sẽ giúp ích rất nhiều sau khi ra trường Các kết quả chính thu được sau tiểu luận là: + Hiểu thêm về phương pháp điều chế đa sóng mang trực giao OFDM- một phương pháp ngày càng được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật viễn thông hiện đại Đây là lần đầu làm tiểu luận, thời gian có hạn và kiến thức còn hạn chế, phải tiếp cận với một lĩnh vực tương đối mới mẻ đó là phương pháp điều chế OFDM và các ứng dụng. .. mang bị mất tính trực giao) * Ước lượng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần... loại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế Hình 9 Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 3.8 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM: - OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM: + Ước lượng tham số kênh + Đồng bộ sóng mang + Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR... vệ cho mỗi ký hiệu OFDM + Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT + Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao 3.10.2 Khuyết điểm: + Nhạy với offset tần số - Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler - Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số... gian và trong miền tần số Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM : - Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: Phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này Với hệ thống OFDM, ... Đồng bộ trong OFDM: Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người ta... - Đặc biệt OFDM là ứng cử viên triển vọng nhất cho hệ thống thông tin 4G (hệ thống truy cập Internet không dây băng rộng theo tiêu chuẩn Wimax) CÁC ỨNG DỤNG CỦA OFDM (OFDM Appliscations) • Wireless-LANs (IEEE 802.11, HIPERLAN/2) • Digital Audio&TV Broadcasting (DAB , DVB) • Digital Subscriber Loop (ADSL, VDSL) • Point-to-Point (Fixed) Wireless Access • 4G Cellular Systems? Do thời gian và khả năng ... Chính vậy, PAPR hệ thống OFDM lớn IV ỨNG DỤNG CỦA OFDM: 4.1 Các ứng dụng quan trọng OFDM giới: Kỹ thuật OFDM tảng kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến Các ứng dụng cụ thể OFDM giới - Hệ thống truyền hình... hình số Kỹ thuật nghiên cứu, triển khai ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác như: Wimax, Wlan, ADSL, DVB-T…vv Kỹ thuật ứng cử viên quan trọng cho hệ di động thứ (4G) Ở Việt Nam Kỹ thuật OFDM ứng dụng. .. cho kỹ thuật điều chế OFDM sử dụng ngày trở nên rộng rãi Thay sử dụng IDFT DFT người ta sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho điều chế OFDM, sử dụng FFT cho giải điều chế OFDM Ngày kỹ thuật OFDM